锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用
寿命实用计算方法
王晓刚
(1．烟台大学土木工程学院，山东烟台，264005；2．
刘永峰
山东泰华路桥工程有限公司，山东烟台，264003)
[摘要】针对钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能劣化，建立了锈蚀钢筋混凝土结构剩余使用寿命的实用计算方法。极
限状态定义为锈蚀结构的安全性、适用性和耐久性评定等级由等级b降为等级c的临界状态，按现有规范此
时锈蚀结构必须采取修复加固处理。根据钢筋锈蚀对结构性能的影响机理，将锈蚀结构的使用寿命周期分
为：钢筋未发生锈蚀的初始阶段(T。)，锈胀开裂前的锈蚀发展阶段( )，锈胀开裂到极限状态的加速锈蚀阶
段( )，并建立各阶段锈蚀速率与结构性能退化模型。在此基础上进行试算，假设时间，计算评定时间
点锈蚀结构的等级，调整使某一控制指标首先达到极限状态，由此确定结构剩余使用寿命。最终通过算
例验证此计算方法实际可行。
[关键词】混凝土结构；钢筋；锈蚀；使用寿命
[中图分类号】TU375 【文献标志码】 A 【文章编号] 1001-523X(2010)06-0008-05
1 概述
混凝土中钢筋锈蚀已经成为影响钢筋混凝土结构使用
寿命的一个主要问题。锈蚀一方面造成钢筋有效受力截面
减小、力学性能退化，大幅削弱构件的安全性；另一方面锈
蚀钢筋与混凝土间粘结性能退化，构件变形增大，保护层
锈胀甚至剥落，严重危害结构适用性。因此，在对已有锈
蚀损伤的混凝土建筑进行检测评定时，需要对其剩余使
用寿命进行评估，以此为后继维护及加固修复处理提供
决策依据。
过去的几十年中，国内外学者对锈蚀钢筋混凝土结构的
剩余使用寿命进行了多方面研究，提出了多种相关计算分析
模型[1-9]和可靠度理论模型_4 J。然而，从对结构性能影响
的角度，混凝土中钢筋锈蚀是一个多阶段的发展过程：锈蚀
开始前的侵蚀介质渗透阶段；锈蚀发生到保护层开裂的锈蚀
发展阶段；保护层开裂后的加速锈蚀阶段；混凝土保护层完
全剥落后的自然锈蚀阶段。由于各阶段钢筋锈蚀速率存在
较大差异，锈蚀对结构性能的影响亦不一致，这给上述模型
在实际工程中的应用带来很大局限。本文基于锈蚀对结构
安全性和适用性的影响，在综合已有研究成果的基础上，结
合国家和地方相关规范与标准，提出了锈蚀钢筋混凝土结构
剩余使用寿命的实用计算方法。利用锈蚀发展三个阶段的特
征分别建立相关劣化模型，最后采用试算法确定锈蚀结构的
收稿日期：2010—03—15
作者简介：王晓刚(1980．)，男，山东平度人，毕业于同济大学，博士，
讲师，现从事混凝土结构耐久性、结构鉴定加固相关的教学与科研
工作。
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剩余使用寿命。
2 锈蚀钢筋混凝土结构的使用寿命
2．1 劣化过程
普通大气中，CO：通过扩散进入混凝土内部，与孔溶液
中水化产物发生反映，引起孔溶液pH值下降，并最终导致
混凝土中预埋钢筋发生锈蚀。虽然混凝土中钢筋锈蚀的化
学转化过程没有完全研究透彻，但所有研究都证明锈蚀
产物体积引起体积显著增加，对锈蚀钢筋周围混凝土产生
径向压力。当混凝土中由此产生的环向拉应力超过混凝土
抗拉强度后，混凝土保护层便会产生沿钢筋纵向的锈胀裂
缝，使侵蚀介质更易进入混凝土内部，从而导致劣化速度
加快。
混凝土中钢筋锈蚀引起的结构性能劣化是一个时变过
程。根据锈蚀对结构性能产生危害的机理，定义以下几个关
键时问点：1)钢筋锈蚀开始时问t．；2)混凝土保护层锈胀开
裂时间t ；3)锈胀裂缝宽度达到限值时间t 。；4)承载力降至
限值时间t ；5)结构变形达到限值时间t ；6)横向受力裂缝
到达限值时间t ；如图l所示。由此，结构性能劣化过程可
分为以下三个不同阶段：锈蚀开始前的初始阶段( 。)，锈蚀
开始到锈胀裂缝出现前的发展阶段( )，锈胀开裂至极限
状态的加速锈蚀阶段( ．．)。
第37卷王晓刚，等：锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法第6期
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：：锈胀裂缝宽度限值／；I
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一
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． i剩余使用寿命』
图1 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构使用寿命影响
2．2 极限状态定义
不同研究工作中对锈蚀结构的使用寿命极限状态定义
并不一致。Bazant取混凝土锈胀开裂作为极限状态，基于锈
蚀机理和弹性力学建立剩余使用寿命预测模型⋯ ，这种极限
状态定义方式也被别的研究者所采用 ’ 。然而，有学者认
为以锈胀裂缝到达一定宽度界定极限状态更为合理。综
合来看，多数锈蚀混凝土结构使用寿命评估模型中均采用锈
蚀开始或混凝土保护层锈胀开裂作为其极限状态，这在一定
程度上是由于普遍认为锈胀开裂后的锈蚀加速发展阶段时
间相对很短。然而，近期研究结果证明，对于结构全寿
命周期而言锈蚀初始阶段可能仅占很小比例 J。
为便于工程实际应用，结合相关国家规范标准，本
文从结构可靠度的角度定义剩余使用寿命极限状态。钢筋
混凝土结构的可靠度包括三个方面：安全性、适用性和耐久
性。这三方面均受到钢筋锈蚀的显著影响。随结构形式、功
能要求和环境条件的变化，任何一方面的可靠度指标均可能
首先降至限值以下。图1中所示t >t。>t >t l为一特例，
对实际结构其大小关系随构件几何尺寸、配筋方式及环境条
件的不同而变化。在某些极端情况下，锈蚀混凝土结构的使
用寿命甚至可能在保护层锈胀开裂前便因承载力降低达而
终结。
现有规范中，通常根据某一特定的指标将老化钢筋混凝
土结构评定为四个等级，如安全性、变形或裂缝宽度，见表
1～表3_l J。结构剩余使用寿命定义为在正常维护使用条
件下，未附加修复加固处理结构能维持其正常使用功能的时
间。因此，可以取锈蚀钢筋混凝土结构的可靠度由等级b向
等级c的临界转换点作为其使用寿命极限状态，此时按现有
规范必须对结构进行修复处理。实际工程中对锈蚀结构进
行使用寿命评估时，可根据实际情况取用某一个或几个可靠
度指标作为极限状态判别标准。如环境侵蚀作用较轻时，可
综合取用锈蚀结构的安全性评定等级和变形评定等级作为
极限状态判别标准；恶劣腐蚀环境下，极限状态宜取锈胀开
裂评定等级或锈胀裂缝宽度达到0．15～0．3 mill范围内某一
限值作为判别标准” 川；而预应力混凝土结构则应选锈蚀开
始作为极限状态判别标准。
表1 钢筋混凝土结构安全性等级评定标准
注：与S分别为结构构件的抗力和荷载作用，。为结构重要性
系数，7R为抗力分项系数。
表2 钢筋混凝土构件变形等级评定标准
注：fn为构件跨度；^为单层层高；日为建筑总高度。
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第6期王晓刚，等：锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法第37卷
表3 锈胀裂缝评定等级
等级 b d
6 r／(Jy08。) ≥1．5 ≥1．O ≥0．8 <0．8
注：6。为对应混凝土保护层锈胀开裂的临界钢筋锈蚀深度；6
为钢筋实测锈蚀深度。
3 耐久性劣化模型
3．1 碳化模型
现有碳化模型很多，本文中采用一个考虑部分碳化区的
碳化深度预测模型，见式(1) ” 。
．
【c一．0， × 0‘(0．7一只日)1．82 ／ ‘
703 921 (f1卜一RH)2．2 11 二：
，
— c。
(1)
式中，t。为部分碳化区前锋到达钢筋表面的时间(d)；C
为混凝土保护层厚度；RH为相对湿度；(RH<70％)；W／C为
混凝土水灰比；C为水泥用量(kg／m )；y 为水泥类型修正
系数；'，。为水泥水化程度修正系数；c。为二氧化碳体积
浓度。
3．2 锈胀开裂前锈蚀速率
混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程，通常采用锈蚀
电流密度ioo,,作为锈蚀速率的评价指标。锈蚀电流密度已知
的情况下，给定时间段内钢筋的重量锈蚀率可由法拉第定律
精确计算。钢筋锈蚀电流密度则可具体采用交流阻抗法、电
化学噪音法或线性极化法进行测量。对于实际结构的锈蚀
电流密度尚无统计数据，但根据已有研究报告ioo．大多在1～
10 I~A／cm 范围内，极端侵蚀环境下最大锈蚀电流密度可达
到100～200 A／era [‘ 。
在现场实测电流密度不便的条件下，可根据“混凝土结
构耐久性评定标准”中建议的经验模型进行估算：
A0=7．53K 【·m ·(0．75+0．0125T)
(RH 一0．45) ·c。。” ·／。 (室外)
(2)
Ao=5．92Kcl·m ·(0．75+0．0125T)
(RH 一0．50) ·c - (室内)
(3)
式中，A。为锈蚀速率(mm／year)；K。，为钢筋位置影响系
数，钢筋位于角部时Kc =1．6，钢筋位于非角部时K。。=1．0；
m 为局部环境系数；T、RH分别为年平均温度(℃)和年平均
相对湿度；RH>0．80时取RH=0．80； k为混凝土混凝土抗
压强度评定值(MPa)。
3．3 锈胀开裂临界状态
随钢筋锈蚀发展，锈蚀产物积聚在钢筋与混凝土界面，
对周围混凝土施加径向压力，并最终导致保护层锈胀开裂。
对钢筋锈蚀过程中锈胀压力发展及锈胀开裂的研究主要通
过以下三种方式：基于试验的统计分析驯，模拟试验及力
学建模分析 ]。研究结果表明锈胀临界状态对应的钢筋锈
1O
蚀率主要影响因素包括钢筋类型、混凝土抗拉强度和保护层
厚度与钢筋直径的比值。临界锈蚀深度6 可通过式(4)、式
(5)计算。
杆件(角部钢筋)： =0．012c／d+0．ooo84fo k+0．018
(4)
墙、板(非角部钢筋)： =0．015(c／d) +0．0014fo
+0．016 (5)
3．4 保护层锈胀开裂后锈蚀速率
保护层锈胀开裂前，混凝土中钢筋锈蚀速率很大程度上
受到阴极区氧气量的影响，此时氧气主要通过扩散进入混凝
土内部。在锈胀开裂后的加速锈蚀阶段，氧气可通过裂缝迅
速到达钢筋表面，因此钢筋锈蚀速度大幅